DE102018213576A1

DE102018213576A1 - Method for operating a sensor for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space

Info

Publication number: DE102018213576A1
Application number: DE102018213576.2A
Authority: DE
Inventors: Yannick Chauvet
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor (100) umfasst ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement (10) weist einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) auf, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei mittels mehrerer Stromquellen (60) ein Pumpstrom durch die Pumpzelle (40) getrieben wird, wobei eine Nernstspannung der Nernstzelle (46) geregelt wird, wobei ein Messsignal des Sensorelements (10) basierend auf dem Pumpstrom ermittelt wird, wobei die Regelung der Nernstspannung mittels eines Analog-Digital-Wandlers (56), eines Reglers (58) und eines Digital-Analog-Wandlers (59) erfolgt, wobei ein Ausgang des Reglers (58) einen digitalen Stellwert für den Digital-Analog-Wandler (59) liefert, wobei der Digital-Analog-Wandler (59) eine Kennlinie (64) für Ausgangssignale an die Stromquellen (60) aufweist, wobei die Kennlinie (64) mit Absenkungen (70) der Ausgangssignale versehen wird, die größer als Toleranzwerte der Stromquellen (60) sind.A method for operating a sensor (100) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, is proposed. The sensor (100) comprises a sensor element (10) for detecting the property of the measuring gas. The sensor element (10) has a solid electrolyte (12), a pump cell (40) and a Nernst cell (46), the pump cell (40) having an outer pump electrode (42) and an inner pump electrode (44), using a plurality of current sources (60) a pump current is driven through the pump cell (40), a Nernst voltage of the Nernst cell (46) being regulated, a measurement signal of the sensor element (10) being determined based on the pump current, the regulation of the Nernst voltage using an analog-digital Converter (56), a controller (58) and a digital-to-analog converter (59), an output of the controller (58) providing a digital manipulated variable for the digital-to-analog converter (59), the digital Analog converter (59) has a characteristic curve (64) for output signals to the current sources (60), the characteristic curve (64) being provided with reductions (70) in the output signals which are greater than tolerance values of the current sources (60).

Description

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.A large number of sensors and methods for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. In principle, this can be any physical and / or chemical properties of the measuring gas, one or more properties being able to be recorded. The invention is described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a proportion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen proportion in the measurement gas part. The oxygen fraction can be recorded, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or in addition, however, other properties of the measurement gas can also be detected, such as the temperature.

Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Sensoren mit keramischen Sensorelementen bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.In particular, sensors with ceramic sensor elements are known from the prior art, which are based on the use of electrolytic properties of certain solid bodies, that is to say on ion-conducting properties of these solid bodies. In particular, these solids can be ceramic solid electrolytes, such as zirconium dioxide (ZrO ₂ ), in particular yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ) and scandium-doped zirconium dioxide (ScSZ), the small additions of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) and / or silicon oxide (SiO ₂ ) can contain.

Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.For example, such sensors can be configured as so-called lambda sensors, as are known, for example, from Konrad Reif (ed.): Sensors in a Motor Vehicle, 1st Edition 2010, pp. 160-165. With broadband lambda probes, in particular with planar broadband lambda probes, the oxygen concentration in the exhaust gas can be determined over a wide range, for example, and the air-fuel ratio in the combustion chamber can thus be deduced. The air ratio λ describes this air-fuel ratio.

Die Breitband-Lambdasonde misst die Sauerstoffkonzentration oder die Konzentration von Reduktionsmittel in einem Messgas. Für den emissionsoptimalen Betrieb eines Verbrennungsmotors ist die Information des Restsauerstoffes im Abgas von hoher Bedeutung. Für den Betrieb einer Breitband-Lambdasonde wird diese an einen speziell für diesen Zweck erstellten Auswertebaustein (ASIC) eines Steuergeräts angeschlossen. Die Hauptaufgabe des ASICs ist es, die Nernstspannung, gemessen zwischen der Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode, auf einen gewissen Zielwert, meistens 450 mV, einzuregeln. Die Stellgröße mit der die Nernstspannung eingeregelt werden soll, ist der Pumpstrom, der vom ASIC zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode getrieben werden muss. Wenn die Nernstspannung nahe an ihrem Zielwert liegt, ist der dafür nötige Pumpstrom ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Eine genaue Bestimmung des Pumpstroms ist daher die unumgängliche Voraussetzung für eine genaue Bestimmung der O2-Konzentration im Abgas.The broadband lambda probe measures the oxygen concentration or the concentration of reducing agent in a sample gas. Information about the residual oxygen in the exhaust gas is of great importance for the emission-optimized operation of an internal combustion engine. For the operation of a broadband lambda probe, it is connected to an evaluation module (ASIC) of a control unit specially created for this purpose. The main task of the ASIC is to regulate the Nernst voltage, measured between the reference electrode and the inner pump electrode, to a certain target value, usually 450 mV. The manipulated variable with which the Nernst voltage is to be regulated is the pump current that must be driven by the ASIC between the outer pump electrode and the inner pump electrode. If the Nernst voltage is close to its target value, the pump current required for this is a measure of the oxygen concentration in the exhaust gas. An exact determination of the pump current is therefore an essential requirement for an exact determination of the O2 concentration in the exhaust gas.

Die Pumpstromquelle nimmt vom Nernstspannungs-Regler einen digitalen Soll-Wert für den Pumpstrom entgegen und soll diesen dann durch die Sonde treiben. Bei einem digitalen Regler, der in einem Mikrokontroller realisiert wird, wird der digitale Regler-Stellausgang durch einen Digital-Analog-Wandler (DAC - Digital-Analog-Converter) in die „analoge Welt“ überführt.The pump current source receives a digital target value for the pump current from the Nernst voltage regulator and is then to drive it through the probe. In the case of a digital controller which is implemented in a microcontroller, the digital controller actuating output is converted into the “analog world” by a digital-to-analog converter (DAC - digital-to-analog converter).

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Damit die Regelung stabil arbeitet, muss der DAC in der Regel eine monoton steigende und stetige Kennlinie haben. Vereinfacht ausgedrückt sollte die DAC-Kennlinie keine „Sprünge“ haben die wesentlich größer als die DAC-Auflösung sind. Dies macht allerdings das DAC-Design in der Regel aufwändiger.Despite the advantages of the sensors and methods for operating them known from the prior art, they still have room for improvement. In order for the control to work stably, the DAC must generally have a monotonically increasing and steady characteristic. Put simply, the DAC characteristic should not have any “jumps” that are much larger than the DAC resolution. However, this usually makes the DAC design more complex.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet und das den Aufwand für das Erstellen einer monotonen Kennlinie deutlich reduziert.A method for operating a sensor element for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space is therefore proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known methods and which significantly reduces the effort for creating a monotonous characteristic curve.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases. Der Sensor umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement weist einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine Nernstzelle auf. Die Pumpzelle weist eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode auf. Mittels mehrere Stromquellen wird ein Pumpstrom durch die Pumpzelle getrieben. Eine Nernstspannung der Nernstzelle wird geregelt. Ein Messsignal des Sensorelements wird basierend auf dem Pumpstrom ermittelt. Die Regelung der Nernstspannung erfolgt mittels eines Analog-Digital-Wandlers, eines digitalen Reglers und eines Digital-Analog-Wandlers. Ein Ausgang des Reglers liefert einen digitalen Stellwert für den Digital-Analog-Wandler Der Digital-Analog-Wandler weist eine Kennlinie für Ausgangssignale an die Stromquellen auf, wobei die Kennlinie mit Absenkungen der Ausgangssignale versehen wird, die größer als Toleranzwerte der Stromquellen sind.The method according to the invention is suitable for operating a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measuring gas or a temperature of the measuring gas. The sensor comprises a sensor element for detecting the property of the measuring gas. The sensor element has a solid electrolyte, a pump cell and a Nernst cell. The pump cell has an outer pump electrode and an inner pump electrode. A pump current is driven through the pump cell by means of several current sources. A Nernst voltage of the Nernst cell is regulated. A measurement signal of the sensor element is determined based on the pump current. The Nernst voltage is regulated by means of an analog-digital converter, a digital controller and a digital Analog converter. An output of the controller provides a digital manipulated variable for the digital-to-analog converter. The digital-to-analog converter has a characteristic curve for output signals to the current sources, the characteristic curve being provided with reductions in the output signals that are greater than tolerance values of the current sources.

Bei einer Weiterbildung werden die Absenkungen der Ausgangssignale an Stellen der Kennlinie vorgesehen, die Schaltpunkten der Stromquellen entsprechen.In a further development, the reductions in the output signals are provided at points on the characteristic curve which correspond to the switching points of the current sources.

Bei einer Weiterbildung wird ein Ist-Wert des Pumpstroms basierend auf einem Soll-Wert für den Pumpstrom des Reglers berechnet.In a further development, an actual value of the pump current is calculated based on a target value for the pump current of the controller.

Bei einer Weiterbildung ist der Regler ein PID-Regler.In one development, the controller is a PID controller.

Bei einer Weiterbildung werden die Stromquellen gewichtet, wobei die Absenkungen der Ausgangssignale in der Richtung der Gewichtung Summen der Toleranzwerte von vorhergehenden Stromquellen entsprechen.In one development, the current sources are weighted, the reductions in the output signals in the direction of the weighting corresponding to sums of the tolerance values of previous current sources.

Bei einer Weiterbildung werden die Stromquellen binär gewichtet.In a further development, the current sources are weighted in binary.

Bei einer Weiterbildung werden die Stromquellen unabhängig voneinander abgeglichen.In a further development, the power sources are compared independently of one another.

Bei einer Weiterbildung wird jeder Stromquelle eine Absenkung des Ausgangssignals zugeordnet.In a further development, a lowering of the output signal is assigned to each current source.

Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.Furthermore, a computer program is proposed which is set up to carry out each step of the method according to the invention.

Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.Furthermore, an electronic storage medium is proposed on which such a computer program is stored.

Weiterhin wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches ein solches elektronisches Speichermedium umfasst.Furthermore, an electronic control device is proposed which comprises such an electronic storage medium.

Weiterhin wird ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine Nernstzelle aufweist, wobei die Pumpzelle eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist, wobei der Sensor weiterhin ein elektronisches Steuergerät aufweist oder mit einem elektronischen Steuergerät verbunden ist.Furthermore, a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, is proposed. The sensor comprises a sensor element for detecting the property of the measurement gas, the sensor element having a solid electrolyte, a pump cell and a Nernst cell, the pump cell having an outer pump electrode and an inner pump electrode, the sensor further comprising an electronic control device or with an electronic control device connected is.

Unter einem Festelektrolytkörper ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise sauerstoffionenleitenden Eigenschaften, Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Beispielsweise kann der Festelektrolytkörper stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder scandiumstabilisiertes Zirkoniumdioxid aufweisen. Der Festelektrolytkörper kann auch aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist dabei eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.In the context of the present invention, a solid electrolyte body is understood to mean a body or object with electrolytic properties, ie with ion-conducting properties, for example oxygen-ion-conducting properties. In particular, it can be a ceramic solid electrolyte. For example, the solid electrolyte body can have stabilized zirconium dioxide and / or scandium-stabilized zirconium dioxide. The solid electrolyte body can also be formed from a plurality of solid electrolyte layers. A layer is to be understood as a uniform mass over a certain height, which is above, below or between other elements.

Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten oder eine Spannung gemessen werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metallkeramikelektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platincermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.In the context of the present invention, an electrode is generally to be understood as an element which is able to contact the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained or a voltage can be measured through the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode can comprise an element on which the ions can be built into the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte. Typically, the electrodes comprise a noble metal electrode, which can be applied, for example, as a metal ceramic electrode to the solid electrolyte or can be connected to the solid electrolyte in some other way. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other noble metals such as gold or palladium can also be used in principle.

Unter einer Nernstzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Messzelle zu verstehen, die einen Festelektrolyten als Membran zwischen zwei Elektroden verwendet. Dabei nutzt man die Eigenschaft des Festelektrolyten, ab einer bestimmten Temperatur Ionen des zu messenden Messgases, wie beispielsweise Sauerstoffionen, elektrolytisch von der einen Elektrode zu der anderen transportieren zu können, wodurch eine sogenannte Nernstspannung entsteht. Durch diese Eigenschaft lässt sich der Unterschied des Partialdrucks des Messgases auf den verschiedenen Seiten der Membran bestimmen. Bei der Lambdasonde wird eine Seite der Membran dem Messgas ausgesetzt, während die andere Seite an einer Referenz liegt.In the context of the present invention, a Nernst cell is to be understood as an electrochemical measuring cell which uses a solid electrolyte as a membrane between two electrodes. Here, the property of the solid electrolyte is used to be able to electrolytically transport ions of the measurement gas to be measured, such as oxygen ions, from one electrode to the other from a certain temperature, resulting in a so-called Nernst voltage. This property allows the difference in the partial pressure of the sample gas on the different sides of the membrane to be determined. With the lambda probe, one side of the membrane is exposed to the sample gas, while the other side is against a reference.

Unter einer Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Zelle zu verstehen, bei der ein Gehalt einer Komponente des Messgases, wie beispielsweise Sauerstoff, in einem Messspalt einerseits über das Messgas, das durch einen Diffusionskanal einwirkt, bestimmt und andererseits durch den Stromfluss der Pumpzelle beeinflusst wird. Durch den Pumpstrom wird je nach Polarität Messgas von der Messgasseite der Festelektrolyt-Membran in den Messspalt gepumpt bzw. aus diesem herausbefördert. Dabei wird der Pumpstrom durch einen äußeren Regler so geregelt, dass der Lambdawert im Messgas den Messgasstrom durch den Diffusionskanal genau ausgleicht und das Messgas im Messspalt konstant bei einem vorbestimmten Wert wie beispielsweise λ = 1 hält. Ein Lambdawert von 1 im Messspalt ist beispielsweise immer dann gegeben, wenn die Spannung an der Nernstzelle 0,45 V beträgt. Der Pumpstrom pumpt bei fettem Gemisch Messgasionen in das Messgas im Messspalt hinein, bei magerem Gemisch heraus.In the context of the present invention, a pump cell is to be understood as an electrochemical cell in which a content of a component of the measurement gas, such as oxygen, in a measurement gap is determined on the one hand by the measurement gas which acts through a diffusion channel and on the other hand by the current flow of the pump cell being affected. Depending on the polarity of the sample gas, the pump current from the sample gas side of the Solid electrolyte membrane pumped into or out of the measuring gap. The pump current is regulated by an external controller in such a way that the lambda value in the sample gas exactly balances the sample gas flow through the diffusion channel and the sample gas in the measuring gap is kept constant at a predetermined value such as λ = 1. A lambda value of 1 in the measuring gap is always given, for example, when the voltage at the Nernst cell is 0.45 V. With a rich mixture, the pump current pumps the sample gas ions into the sample gas in the measuring gap, and out with a lean mixture.

Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise 700 °C bis 950 °C sein.In the context of the present invention, a heating element is to be understood as an element which serves to heat the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature. The functional temperature is the temperature from which the solid electrolyte becomes conductive for ions and is approximately 350 ° C. The operating temperature must be distinguished from this, which is the temperature at which the sensor element is normally operated and which is higher than the functional temperature. The operating temperature can be, for example, 700 ° C to 950 ° C.

Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, da dieser einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann also beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platincermet hergestellt sein.The heating element can comprise a heating area and at least one feed path. In the context of the present invention, a heating region is to be understood as the region of the heating element which overlaps with an electrode in the layer structure along a direction perpendicular to the surface of the sensor element. Usually, the heating area heats up more during operation than the feed path, since it has a higher electrical resistance, so that these can be distinguished. The different heating can thus be achieved, for example, by the heating area having a higher electrical resistance than the feed path. The heating area and / or the feed line are designed, for example, as an electrical resistance track and heat up by applying an electrical voltage. The heating element can be made of a platinum cermet, for example.

Unter einem Stellwert ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein momentaner Wert einer Stellgröße eines Stellglieds zu verstehen. Die Stellgröße ist die Ausgangsgröße (die Stellung) des in der Steuerungs- und in der Regelungstechnik verwendeten Stellglieds, mit dessen Hilfe ein gezielter Eingriff in die Steuer- beziehungsweise Regelstrecke erfolgt.In the context of the present invention, a manipulated value is to be understood as a momentary value of a manipulated variable of an actuator. The manipulated variable is the initial variable (the position) of the actuator used in the control and regulation technology, with the help of which a targeted intervention in the control or regulating system takes place.

Unter einem Toleranzwert ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Abweichung einer Größe vom Normzustand oder Normmaß zu verstehen, die die Funktion eines Systems oder Bauteils gerade noch nicht gefährdet. Genauer ist der Toleranzwert die fertigungstechnisch bedingte Abweichung eines Ist-Werts bzw. Ist-Ausgangsgröße eines Bauteils von einem Soll-Wert bzw. Soll-Ausgangsgröße zu verstehen. Mit anderen Worten ist der Toleranzwert der fertigungstechnisch bedingte Fehlergröße eines Bauteils bzw. die von einem Bauteil gelieferte Fehlergröße.In the context of the present invention, a tolerance value is understood to mean the deviation of a quantity from the standard state or standard dimension, which does not yet endanger the function of a system or component. More precisely, the tolerance value is to be understood as the manufacturing-related deviation of an actual value or actual output variable of a component from a target value or target output variable. In other words, the tolerance value is the defect size of a component due to the manufacturing technology or the defect size supplied by a component.

Unter einem ASIC (= application-specific integrated circuit) ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine anwendungsspezifische integrierte elektronische Schaltung zu verstehen, die als integrierter Schaltkreis realisiert ist. Die Funktion eines ASICs wird somit in den meisten Fällen nicht mehr verändert.An ASIC (= application-specific integrated circuit) is to be understood in the context of the present invention as an application-specific integrated electronic circuit which is implemented as an integrated circuit. The function of an ASIC is therefore no longer changed in most cases.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist der bewusste Verzicht auf die Monotonie der Kennlinie des Digital-Analog-Wandlers (DAC). So wurde herausgefunden, dass sich eine stabile Regelung erzielen lässt, wenn eine Kennlinie definiert wird, die zwar negative Sprünge hat, aber an keiner Stelle einen positiven Sprung. Ganz allgemein kann das vorgestellte angewendet werden, wenn im DAC an einer Kennlinienstelle etwas umgeschalten werden muss. Dann stellt sich die Frage, ob es nach dem umschalten „nahtlos“ bzw. stetig in der Kennlinie weitergeht oder nicht. Falls ein „nahtloser“ Übergang Aufwand erzeugt, kann gemäß dem Prinzip darauf verzichtet werden und stattdessen bewusst der Kennlinie bzw. dem typischen Design ein negativer Sprung verpasst werden, um diesen Aufwand zu sparen.A basic idea of the present invention is the deliberate avoidance of the monotony of the characteristic curve of the digital-to-analog converter (DAC). It was found that a stable control can be achieved if a characteristic curve is defined that has negative jumps, but never a positive jump. In general, the presented can be used if something has to be switched at a characteristic point in the DAC. Then the question arises as to whether or not the switch continues "seamlessly" or continuously in the characteristic curve. If a "seamless" transition creates effort, it can be dispensed with according to the principle and instead a conscious jump of the characteristic curve or the typical design can be missed in order to save this effort.

Figurenlistelist of figures

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen:

1 einen Querschnitt eines Sensors,
2 ein schematisches Schaltbild des Sensors und eines Steuergeräts,
3 eine Darstellung eines Digital-Analog-Wandlers mit Stromquellen,
4 eine Kennlinie des Digital-Analog-Wandlers,
5 ein erstes Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers,
6 ein zweites Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers und
7 ein drittes Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers.

Show it:

1 a cross section of a sensor,
2 1 shows a schematic circuit diagram of the sensor and a control device,
3 a representation of a digital-to-analog converter with current sources,
4 a characteristic curve of the digital-to-analog converter,
5 a first diagram to illustrate the behavior of the digital-to-analog converter,
6 a second diagram to illustrate the behavior of the digital-to-analog converter and
7 a third diagram to show the behavior of the digital-to-analog converter.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 100 mit einem Sensorelement 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ und/oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, sodass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas. 1 shows a cross-sectional view of a sensor 100 with a sensor element 10 according to an embodiment of the invention. This in 1 sensor element shown 10 can be used for the detection of physical and / or chemical properties of a measuring gas, whereby one or more properties can be recorded. The invention is described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas. The oxygen fraction can be recorded, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. In principle, however, other types of gas components can also be detected, such as nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen. Alternatively and / or in addition, however, other properties of the measurement gas can also be detected. The invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measuring gas space can be, in particular, an exhaust tract of an internal combustion engine and the measuring gas can in particular be an exhaust gas.

Das Sensorelement 10 umfasst einen Festelektrolytkörper bzw. Festelektrolyten 12. Das Sensorelement 10 weist weiterhin einen Gaszutrittsweg 14 auf. Der Gaszutrittsweg 14 weist ein Gaszutrittsloch 16 auf, das sich von einer Außenseite oder Oberfläche 18 des Festelektrolyten 12 ins Innere des Festelektrolyten 12 erstreckt. In dem Festelektrolyten 12 ist ein Elektrodenhohlraum 20 vorgesehen, der an das Gaszutrittsloch 16 angrenzt und mit diesem verbunden ist. Der Elektrodenhohlraum 20 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Der Elektrodenhohlraum 20 ist Teil des Gaszutrittswegs 14 und kann über das Gaszutrittsloch 16 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 16 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 18 des Festelektrolyten 12 in das Innere des Festelektrolyten 12. Zwischen dem Gaszutrittsloch 16 und dem Elektrodenhohlraum 20 ist ein Kanal 22 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 14 ist. Der Kanal 22 bzw. der Elektrodenhohlraum 20 ist radial bzw. senkrecht bezüglich des Gaszutrittslochs 16 angeordnet. In diesem Kanal 22 ist eine Diffusionsbarriere 24 angeordnet. Die Diffusionsbarriere 24 vermindert oder verhindert sogar ein Nachströmen von Messgas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 20 und ermöglicht lediglich eine Diffusion des Messgases. In den Festelektrolytkörper 12 und von dem Elektrodenhohlraum 20 getrennt ist ein Referenzgaskanal 26 bzw. Abluftkanal ausgebildet.The sensor element 10 comprises a solid electrolyte body or solid electrolyte 12 , The sensor element 10 still has a gas access path 14 on. The gas access route 14 has a gas access hole 16 on that is from an outside or surface 18 of the solid electrolyte 12 inside the solid electrolyte 12 extends. In the solid electrolyte 12 is an electrode cavity 20 provided to the gas entry hole 16 is adjacent and connected to it. The electrode cavity 20 is, for example, cuboid. The electrode cavity 20 is part of the gas access route 14 and can through the gas access hole 16 communicate with the sample gas chamber. For example, the gas access hole extends 16 as a cylindrical blind hole perpendicular to the surface 18 of the solid electrolyte 12 inside the solid electrolyte 12 , Between the gas entry hole 16 and the electrode cavity 20 is a channel 22 arranged, which is also part of the gas access path 14 is. The channel 22 or the electrode cavity 20 is radial or perpendicular with respect to the gas entry hole 16 arranged. In this channel 22 is a diffusion barrier 24 arranged. The diffusion barrier 24 reduces or even prevents the flow of sample gas from the sample gas space into the electrode cavity 20 and only allows diffusion of the sample gas. In the solid electrolyte body 12 and from the electrode cavity 20 a reference gas channel is separated 26 or exhaust duct.

Des Weiteren weist das Sensorelement 10 ein Heizelement 28 auf. Das Heizelement 28 ist in einer gedachten Verlängerung der Richtung, in der sich das Gaszutrittsloch 16 erstreckt, in dem Festelektrolytkörper 12 unterhalb des Elektrodenhohlraums 20 und des Referenzgaskanals 26 angeordnet. Das Heizelement 28 weist einen Heizbereich 30, eine erste Zuleitungsbahn 32 und eine zweite Zuleitungsbahn 34 auf. Die erste Zuleitungsbahn 32 ist dabei mit einem Pluspol 36 des Heizbereichs 30 verbunden. Die zweite Zuleitungsbahn 34 ist mit einem Minuspol 38 des Heizbereichs 30 verbunden.Furthermore, the sensor element 10 a heating element 28 on. The heating element 28 is in an imaginary extension of the direction in which the gas entry hole is 16 extends in the solid electrolyte body 12 below the electrode cavity 20 and the reference gas channel 26 arranged. The heating element 28 has a heating area 30 , a first supply line 32 and a second feed path 34 on. The first supply line 32 is with a positive pole 36 of the heating area 30 connected. The second supply line 34 is with a negative pole 38 of the heating area 30 connected.

Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Pumpzelle 40 auf. Die Pumpzelle 40 weist eine erste Elektrode, die als äußere Pumpelektrode 42, und eine zweite Elektrode, die als innere Pumpelektrode 44 bezeichnet wird, auf. Die äußere Pumpelektrode 42 ist auf der dem Messgas aussetzbaren Oberfläche 18 des Festelektrolytkörpers 12 angeordnet. Die innere Pumpelektrode 44 ist in dem Elektrodenhohlraum 20 auf einer der äußeren Pumpelektrode 42 zugewandten Seite angeordnet. Die Pumpzelle 40 umfasst weiterhin den Teil des Festelektrolyten 12 zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der innere Pumpelektrode 44. Über die Diffusionsbarriere 24 lässt sich ein Grenzstrom in der Pumpzelle 40 einstellen. Der Grenzstrom stellt dabei einen Stromfluss zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 44 über den Festelektrolyten 12 zwischen diesen dar.The sensor element 10 still has a pump cell 40 on. The pump cell 40 has a first electrode that acts as an outer pump electrode 42 , and a second electrode, which acts as an inner pump electrode 44 is referred to. The outer pump electrode 42 is on the surface that can be exposed to the sample gas 18 of the solid electrolyte body 12 arranged. The inner pump electrode 44 is in the electrode cavity 20 on one of the outer pump electrodes 42 facing side arranged. The pump cell 40 also includes the part of the solid electrolyte 12 between the outer pump electrode 42 and the inner pump electrode 44 , Over the diffusion barrier 24 there is a limit current in the pump cell 40 to adjust. The limit current represents a current flow between the outer pump electrode 42 and the inner pump electrode 44 over the solid electrolyte 12 between these.

Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Nernstzelle 46 auf. Die Nernstzelle 46 umfasst eine dritte Elektrode 48 und eine vierte Elektrode 50. Die dritte Elektrode 48 befindet sich dabei angrenzend an den Heizbereich 30 des Heizelements 28 in dem Elektrodenhohlraum 20. In dem Referenzgaskanal 26 ist die vierte Elektrode 50 angeordnet. Die vierte Elektrode 50 kann als sogenannte gepumpte Referenz in dem Referenzgaskanal 26 angeordnet sein. Das heißt, der Referenzgaskanal 26 ist kein makroskopischer Referenzgaskanal, sondern eine gepumpte Referenz, d.h. eine künstliche Referenz. Die innere Pumpelektrode 44 und die dritte Elektrode 48 sind dabei über den Festelektrolytkörper 12 miteinander gekoppelt. Die dritte Elektrode 48, die vierte Elektrode 50 und der Teil des Festelektrolyten 12 zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 bilden beispielsweise die Nernstzelle 46. Mittels der Pumpzelle 40 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 20 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 46 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 gemessen wird. Da in dem Referenzgaskanal 26 oder in der vierten Elektrode 50, die als Referenzelektrode dient, ein Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 20 geschlossen werden. Entsprechend dem beschriebenen Aufbau kann die dritte Elektrode 48 als Nernstelektrode und die vierte Elektrode 50 als Referenzelektrode bezeichnet werden.The sensor element 10 still has a Nernst cell 46 on. The Nernst cell 46 includes a third electrode 48 and a fourth electrode 50 , The third electrode 48 is located adjacent to the heating area 30 of the heating element 28 in the electrode cavity 20 , In the reference gas channel 26 is the fourth electrode 50 arranged. The fourth electrode 50 can be used as a so-called pumped reference in the reference gas channel 26 be arranged. That is, the reference gas channel 26 is not a macroscopic reference gas channel, but a pumped reference, ie an artificial reference. The inner pump electrode 44 and the third electrode 48 are about the solid electrolyte body 12 coupled with each other. The third electrode 48 , the fourth electrode 50 and the part of the solid electrolyte 12 between the third electrode 48 and the fourth electrode 50 form for example the Nernst cell 46 , By means of the pump cell 40 can, for example, a pump current through the pump cell 40 can be set such that in the electrode cavity 20 the condition λ = 1 or another known composition prevails. This composition is in turn derived from the Nernst cell 46 detected by a Nernst voltage between the third electrode 48 and the fourth electrode 50 is measured. Because in the reference gas channel 26 or in the fourth electrode 50 which serves as a reference electrode there is an excess of oxygen, based on the measured voltage on the composition in the electrode cavity 20 getting closed. According to the structure described, the third electrode 48 as the Nernst electrode and the fourth electrode 50 be referred to as the reference electrode.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung des Aufbaus des Sensorelements 10 ergibt, ist dieses als sogenannter Zweizeiler ausgebildet, bei dem die Pumpzelle 40 und die Nernstzelle 46 getrennt ausgebildet sind. Alternativ kann das Sensorelement 10 als sogenannter Einzeller ausgebildet sein, bei dem Pumpzelle 40 und Nernstzelle 46 kombiniert sind. Ein solcher Einzeller benötigt für seine Funktion lediglich zwei Elektroden. Im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen Aufbau eines Zweizeilers entfallen die erste Elektrode 42 und die zweite Elektrode 44. Dabei dient die dritte Elektrode 48 als innere Pumpelektrode der Pumpzelle 40 und als Nernstelektrode der Nernstzelle 46, da diese auf einer gemeinsamen Leitung liegen. Die vierte Elektrode 50 dient dabei als äußere Pumpelektrode der Pumpzelle 40 und als Referenzelektrode der Nernstzelle 46.As can be seen from the above description of the construction of the sensor element 10 results, this is designed as a so-called two-row, in which the pump cell 40 and the Nernst cell 46 are trained separately. Alternatively, the sensor element 10 be designed as a so-called single cell, in the pump cell 40 and Nernst cell 46 are combined. Such a single cell only requires two electrodes for its function. In comparison to the construction of a two-line system described above, the first electrode is omitted 42 and the second electrode 44 , The third electrode is used 48 as the inner pump electrode of the pump cell 40 and as a Nernst electrode of the Nernst cell 46 , because they are on a common line. The fourth electrode 50 serves as the outer pump electrode of the pump cell 40 and as a reference electrode of the Nernst cell 46 ,

2 zeigt ein schematisches Schaltbild des Sensors 100 und eines Steuergeräts 52. Das Steuergerät 52 umfasst einen ASIC 54. Der ASIC 54 umfasst einen Analog-Digital-Wandler 56, einen Regler 58, einen Digital-Analog-Wandler 59, mehrere Stromquellen 60 und eine virtuelle Masse 62. Der Regler 58 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein PID-Regler, kann jedoch grundsätzlich alternativ eine andere Art von Regler sein, wie beispielsweise ein PI-Regler. Der Sensor 100 ist an Pins RE, APE und IPE an den ASIC 54 angeschlossen. Die Nernstzelle 46 ist dabei an die Pins RE und IPE angeschlossen und die Pumpzelle 40 ist an die Pins IPE und APE angeschlossen. Der ASIC 54 misst die Nernstspannung zwischen RE und IPE. Die Pins RE und IPE sind mit dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers 56 verbunden. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 56 ist mit dem Eingang des Reglers 58 verbunden. Der gemessene Wert der Nernstspannung ist der Haupteingang in den Regler 58. Der Ausgang des Reglers 58 ist mit dem Eingang des Digital-Analog-Wandlers 59 verbunden. Der Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 59 ist mit dem Eingang der Stromquellen 60 verbunden. Der Ausgang der Stromquelle 60 ist mit dem Pin APE verbunden. Der Regler 58 ermittelt mit dem neusten Nernstspannungswert einen neuen Sollwert für den Pumpstrom. Dieser Sollwert wird an die Stromquelle 60 übergeben, die daraufhin einen Strom von APE zur IPE treibt, den sogenannten Pumpstrom. Dabei liefert der Ausgang des Reglers 58 einen digitalen Stellwert für den Digital-Analog-Wandler 59. Der tatsächlich geflossene Strom kann an einem Messwiderstand R_mVG gemessen werden, indem die abfallende Spannung über den Widerstand R_mVG gemessen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird grundsätzlich mittels der Stromquellen 60 ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 getrieben. Die Nernstspannung der Nernstzelle 40 wird somit mittels des Analog-Digital-Wandlers 56, des Reglers 58 und des Digital-Analog-Wandlers 59 geregelt. Ein Messsignal des Sensorelements 10 wird basierend auf dem Pumpstrom ermittelt. 2 shows a schematic diagram of the sensor 100 and a control unit 52 , The control unit 52 includes an ASIC 54 , The ASIC 54 includes an analog-to-digital converter 56 , a regulator 58 , a digital-to-analog converter 59 , multiple power sources 60 and a virtual crowd 62 , The regulator 58 is a PID controller in the exemplary embodiment shown, but can in principle alternatively be another type of controller, such as a PI controller. The sensor 100 is on pins RE, APE and IPE on the ASIC 54 connected. The Nernst cell 46 is connected to the pins RE and IPE and the pump cell 40 is connected to the pins IPE and APE. The ASIC 54 measures the Nernst voltage between RE and IPE. The pins RE and IPE are with the input of the analog-digital converter 56 connected. The output of the analog-to-digital converter 56 is with the input of the controller 58 connected. The measured value of the Nernst voltage is the main input to the controller 58 , The output of the regulator 58 is with the input of the digital-to-analog converter 59 connected. The output of the digital-to-analog converter 59 is with the input of the power sources 60 connected. The output of the power source 60 is connected to the APE pin. The regulator 58 uses the latest Nernst voltage value to determine a new setpoint for the pump current. This setpoint is sent to the power source 60 which then drives a current from APE to IPE, the so-called pump current. The output of the controller delivers 58 a digital manipulated variable for the digital-to-analog converter 59 , The current actually flowed can be measured at a measuring resistor R_mVG by measuring the falling voltage across the resistor R_mVG. In the method according to the invention, the current sources are used 60 a pumping current through the pumping cell 40 driven. The Nernst voltage of the Nernst cell 40 is thus by means of the analog-digital converter 56 , the controller 58 and the digital-to-analog converter 59 regulated. A measurement signal from the sensor element 10 is determined based on the pump current.

3 zeigt eine Darstellung eines Digital-Analog-Wandlers 59 mit Stromquellen. Beispielhaft wird im Folgenden ein Digital-Analog-Wandler 59betrachtet, der einen digitalen Wert in einen entsprechenden Strom wandelt. Der Digital-Analog-Wandler 59 ist hierbei eine digital einstellbare Stromquelle. Diese wird als Regler-Ausgangssignal bzw. als Stellgröße verwendet. Die Kennlinie des Digital-Analog-Wandlers 59 soll möglichst monoton steigend sein und eine ausreichend feine Auflösung haben. Ein einfaches Design des Digital-Analog-Wandlers 59 z.B. mit gewichteten Stromquellen 60 ist dabei nicht immer ohne weiteres möglich, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt einen Digital-Analog-Wandler 59 mit einzelnen binär gewichteten 2µA, 4µA, 8µA, bis 2048µA Stromquellen 60. Ein Binärwert von beispielsweise 100 0000b stellt dabei einen Stromwert von 128µA ein. Der Binärwert 011 1111b stellt idealerweise genau ein Inkrement bzw. LSB („least significant bit“) kleiner ein, also 128µA-2µA = 126µA. Angenommen die binär gewichteten Stromquellen 60 haben z.B. eine +/-2% Toleranz. Bei einem Wechsel von 011 1111b zu 100 0000b schalten sich im Ausführungsbeispiel dabei sechs kleineren Stromquellen 60 ab und eine größere Stromquelle 60 schaltet sich ein. Angenommen die sechs kleineren Stromquellen 60 haben alle eine +2% Toleranz, die größere Stromquelle 60 eine -2% Toleranz. Dann erfolgt ein Wechsel von126µA*102%=128,5µA auf 128*98%=125,4µA. Folglich resultiert dies in einen kleineren Ausgangswert, obwohl ein größerer Sollwert eingestellt wird. Die Kennlinie hat an dieser Stelle eine Nichtmonotonie. Bei „umgekehrten“ Toleranzen, d.h. die kleineren Stromquellen 60 haben alle eine -2% Toleranz, die größere Stromquelle 60 eine +2% Toleranz, resultiert dies in einen Kennliniensprung, der größer ist als ein oder mehrere LSB. Manche Stromwerte fehlen dann in der Ausganskennlinie und können mit keinem Binärcode eingestellt werden. Mit anderen Worten, ist für eine PID-Regelung ein positiver Kennliniensprung problematisch. Der Grund ist, dass es bei einem positiven Kennliniensprung manche Stellwerte nicht gibt. Liegt der Arbeitspunkt der Regelstrecke auf dieser Kennlinienstelle, kann es sein dass der Regler den „Wunsch-Wert“ nie bekommt. Es gibt entweder zu große oder zu kleine Werte. Der Regler springt dann ständig zwischen zu großen oder zu kleinen Werten hin und her. Dies kann zu instabilem Regelverhalten führen. Speziell bei einer Anwendungen mit hohem D-Anteil im Regler ist ein instabiles Verhalten mit ungünstigem Digital-Analog-Wandler sichtbar, beispielsweise per Simulation. 3 shows a representation of a digital-to-analog converter 59 with power sources. As an example, a digital-to-analog converter 59 is considered below, which converts a digital value into a corresponding current. The digital-to-analog converter 59 is a digitally adjustable current source. This is used as a controller output signal or as a manipulated variable. The characteristic curve of the digital-to-analog converter 59 should increase as monotonously as possible and have a sufficiently fine resolution. A simple design of the digital-to-analog converter 59 eg with weighted power sources 60 is not always readily possible, as will be explained in more detail below. This in 3 The embodiment shown shows a digital-to-analog converter 59 with individual binary weighted 2µA, 4µA, 8µA, up to 2048µA current sources 60 , A binary value of, for example, 100 0000b sets a current value of 128µA. The binary value 011 1111b ideally sets exactly one increment or LSB ("least significant bit") smaller, ie 128µA-2µA = 126µA. Assume the binary weighted power sources 60 have a +/- 2% tolerance, for example. When changing from 011 1111b to 100 0000b, six smaller current sources are switched in the exemplary embodiment 60 off and a bigger power source 60 turns on. Suppose the six smaller power sources 60 all have a + 2% tolerance, the larger power source 60 a -2% tolerance. Then there is a change from 126µA * 102% = 128.5µA to 128 * 98% = 125.4µA. As a result, this results in a smaller output value even though a larger target value is set. The characteristic curve has a non-monotonicity at this point. With "reverse" tolerances, ie the smaller power sources 60 all have a -2% tolerance, the larger power source 60 a + 2% tolerance, this results in a jump in the characteristic that is greater than one or more LSB. Some current values are then missing in the output characteristic and cannot be set with a binary code. In other words, a positive jump in the characteristic curve is problematic for PID control. The reason is that with a positive change in the characteristic curve, there are some control values. If the working point of the controlled system lies at this characteristic point, it may happen that the controller never gets the "desired value". There are values that are either too large or too small. The controller then jumps back and forth between values that are too large or too small. This can lead to unstable control behavior. Especially at In applications with a high D component in the controller, unstable behavior with an unfavorable digital-to-analog converter is visible, for example by simulation.

Um die gewünschten Anforderungen zu erreichen muss entweder Abgleichaufwand getrieben werden und/oder im Design des Digital-Analog-Wandlers 59 schaltungstechnische Maßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann ab einer gewissen Stromquellengröße nicht mehr binär, sondern linear gewichtet werden. Dadurch erhöht sich allerdings die Anzahl an Stromquellen 60 und damit der schaltungstechnische Aufwand.In order to achieve the desired requirements, either adjustment work has to be carried out and / or in the design of the digital-analog converter 59 circuitry measures are taken. For example, from a certain current source size, it is no longer possible to weight binary, but linear. However, this increases the number of power sources 60 and thus the circuitry effort.

4 zeigt eine Kennlinie 64 des Digital-Analog-Wandlers 59 bei dem erfindungsgenmäßen Verfahren. Auf der X-Achse 66 ist das Eingangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Auf der Y-Achse 68 ist das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Die Kennlinie 64 wird mit Absenkungen 70 der Ausgangssignale versehen, die größer als Toleranzwerte der Stromquellen 60 sind. Die Absenkungen 70 der Ausgangssignale werden an Stellen der Kennlinie 64 vorgesehen, die Schaltpunkten der Stromquellen 60 entsprechen. Dabei wird jeder Stromquelle 60 eine Absenkung 70 des Ausgangssignals zugeordnet. 4 shows a characteristic 64 of the digital-to-analog converter 59 in the method according to the invention. On the X axis 66 is the input signal of the digital-to-analog converter 59 shown. On the Y axis 68 is the output signal of the digital-to-analog converter 59 shown. The characteristic 64 will with subsidence 70 of the output signals provided that are greater than tolerance values of the current sources 60 are. The subsidence 70 of the output signals are in places of the characteristic 64 provided the switching points of the current sources 60 correspond. Every power source 60 a lowering 70 assigned to the output signal.

Angenommen die Stromquellen 60 haben eine 2% Toleranz. Legt man die einzelne Stromquellen 60 typisch nicht auf den „Idealwert“ von beispielsweise 1024µA aus, sondern bewusst um 2% zu klein auf beispielsweise 1003µA, dann kann auch unter worst-case Bedingungen nie ein positiver Sprung in der Kennlinie 64 vorkommen. Die negative „Sprunghöhe“ wird worst-case dadurch zwar grösser, aber das stört die Regelung nicht. Der PID-Regler 58 gleicht dies aus. Die Absenkungen 70 der Ausgangssignale entsprechen in der Richtung der Gewichtung Summen der Toleranzwerte von vorhergehenden Stromquellen 60. So muss die bewusste und damit typische Absenkung an einer Kennlinienstelle über die gesamte folgende Kennlinie beibehalten werden. Im Falle des Digital-Analog-Wandlers 59 mit binär gewichteten Stromquellen 60 muss daher die nachfolgende Stromquelle 60 nicht nur um die eigene Strom-Toleranz abgesenkt werden, sondern auch um die Summe aller vorangehenden typischen Absenkungen 70. Dies ist darin begründet, dass in der Kennlinie 64 nur negative Kennliniensprünge vorkommen dürfen, aber nie positive „Rücksprünge“. Die Abweichung zum „Idealwert“ wird zwar damit immer grösser, aber das ist für die Anwendung nicht relevant, da der PID-Regler 58 dieses ausgleicht. Die Anwendung benötigt zwar den tatsächlichen Stromwert. Aber da diese nichtmonotone Kennlinie 64 eine zwar „unorthodoxe“ aber genauso gut definierte Kennlinie ist wie übliche Kennlinien auch, kann sie im Steuergerät 52 hinterlegt werden. Der tatsächliche Stromwert kann per Software aus dem Sollwert des PID-Reglers 58 berechnet werden und einer übergeordneten Applikations-Software als tatsächlicher Strom-Istwert zur Verfügung gestellt werden.Suppose the power sources 60 have a 2% tolerance. Put the individual power sources 60 typically not based on the "ideal value" of, for example, 1024µA, but deliberately 2% too small on, for example, 1003µA, then a positive jump in the characteristic curve can never occur even under worst-case conditions 64 occurrence. The negative "jump height" is worse in the worst case, but this does not disturb the regulation. The PID controller 58 compensates for this. The subsidence 70 the output signals correspond in the direction of the weighting sums of the tolerance values from previous current sources 60 , The deliberate and therefore typical lowering of a characteristic point over the entire following characteristic curve must be maintained. In the case of the digital-to-analog converter 59 with binary weighted power sources 60 must therefore be the subsequent power source 60 not only be reduced by your own current tolerance, but also by the sum of all previous typical reductions 70 , This is because that in the characteristic 64 only negative jumps in the characteristic curve may occur, but never positive "jumps back". The deviation from the "ideal value" is getting bigger, but this is not relevant for the application because the PID controller 58 this compensates. The application does need the actual current value. But since this non-monotonous characteristic 64 A characteristic that is “unorthodox” but is just as well defined as conventional characteristics can be found in the control unit 52 be deposited. The actual current value can be software from the setpoint of the PID controller 58 be calculated and made available to a higher-level application software as the actual actual current value.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine nach unten korrigierte „gezackte“ Kennlinie mit nur negativen Sprüngen vorgesehen, bei der das Regler-Verhalten einwandfrei ist. Bei einem negativen Kennlinien-Sprung, d.h. Absenkung 70, findet der Regler 58 seinen „Wunsch-Wert“. Denn es gibt diesen sogar zweimal. Auf einen der beiden Werte wird sich die Regelstrecke festlegen. Welcher von beiden hängt davon ab, ob Regelstrecke sich von „oben“ oder von „unten“ annähert. Speziell bei einem binär gewichteten Digital-Analog-Wandler 59 kann eine solche gezackte Kennlinie 64 mit Absenkungen 70 zusätzlich helfen, um die Schaltvorgänge zu vereinfachen. Angenommen die Regelstrecke hat ihren Arbeitspunkt bei einem Übergang von z.B. binär 1000 0000, dann kann es passieren, dass der Regler 58 aus Systemgründen berechtigt ständig zwischen 1000 000 und 01111111 hin und her springt. Dabei schalten sich viele Stromquellen 60 ständig ein- und aus. Bei „gezackter“ Kennlinie 64 mit Absenkungen 70 ist dies nicht der Fall. An genannten Stellen erzeugt die Kennlinie 64 eine Hysterese. Die größeren Stromquellen 60 des Digital-Analog-Wandlers 59 werden dadurch nur einmal bei größerer Regelstrecken-Änderung umgeschaltet. Nachdem der Regler 58 einmal über die Kennlinien-Sprungstelle gekippt ist, wird sozusagen nur noch mit den kleinen Stromquellen 60 „feinjustiert“. Es werden nicht mehr alle umgeschaltet. Das zeitliche Umschalt- und Einschwingverhalten der Stromquellen 60 ist damit unkritischer und vereinfacht das Design des Digital-Analog-Wandlers 59. Nachstehend wird dies ausführlicher erläutert.In the method according to the invention, a “jagged” characteristic curve corrected downward with only negative jumps is provided, in which the controller behavior is flawless. In the event of a negative characteristic curve jump, ie lowering 70 , the controller finds 58 its "desired value". Because there are even two. The controlled system will be set to one of the two values. Which of the two depends on whether the controlled system approaches from "above" or from "below". Especially with a binary weighted digital-to-analog converter 59 can such a jagged characteristic 64 with subsidence 70 additionally help to simplify the switching operations. Assuming that the controlled system has its operating point with a transition from, for example, binary 1000 0000, then it can happen that the controller 58 due to system reasons, between 1,000,000 and 01111111 jumps constantly. Many power sources switch on 60 constantly on and off. With a "jagged" characteristic 64 with subsidence 70 this is not the case. The characteristic curve is generated at the specified points 64 a hysteresis. The larger power sources 60 of the digital-to-analog converter 59 are only switched once when there is a major change in the controlled system. After the regulator 58 once tipped over the characteristic curve jump point, only the small power sources are used, so to speak 60 "Fine-tuned". Not all of them are switched anymore. The temporal switching and settling behavior of the current sources 60 is therefore less critical and simplifies the design of the digital-to-analog converter 59 , This is explained in more detail below.

5 zeigt ein erstes Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers 59 basierend auf dem Beispiel der 3. Auf der X-Achse 66 ist das Eingangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Auf der Y-Achse 68 ist das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Die Kennlinie 64 ist bei diesem Beispiel mit einer Absenkung 70 bei Bit 10 und einem positiven Sprung 72 bei Bit 11 versehen. Angenommen der Digital-Analog-Wandler 59 hat eine negative Nichtmonotonie bei dem Ausgangssignalwert 1024 µA. Dann wird der Regler 58 im Bereich des Sollwerts 1024 µA nicht schwingen, sondern im Bereich um den Sollwert 2048 µm. Denn im Bereich um Bit 10 findet der Regler 58 seinen Wunschwert. Im Bereich um Bit 11 gibt es manche Werte nicht, sondern nur zu große oder zu kleine. Der Regler findet seinen Wunschwert daher für den Sollwert 2048 µA nicht und schwingt um diesen Bereich. 5 shows a first diagram to illustrate the behavior of the digital-to-analog converter 59 based on the example of 3 , On the X axis 66 is the input signal of the digital-to-analog converter 59 shown. On the Y axis 68 is the output signal of the digital-to-analog converter 59 shown. The characteristic 64 is with a lowering in this example 70 at bit 10 and a positive jump 72 at bit 11 Mistake. Assume the digital-to-analog converter 59 has a negative non-monotonicity at the output signal value 1024 µA. Then the controller 58 Do not oscillate in the range of the setpoint 1024 µA, but in the range around the setpoint 2048 µm. Because in the area around bit 10 finds the controller 58 its desired value. In the area around bit 11 there are some values not, only too big or too small. The controller therefore does not find its desired value for the setpoint 2048 µA and swings around this range.

6 zeigt ein zweites Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers 59 basierend auf dem Beispiel der 3. Auf der X-Achse 66 ist das Eingangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Auf der Y-Achse 68 ist das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Die Kennlinie 64 ist bei diesem Beispiel mit einem positiven Sprung 72 bei Bit 10 und mit einer Absenkung 70 bei Bit 11 versehen. Angenommen der Digital-Analog-Wandler 59 hat eine negative Nichtmonotonie bei dem Ausgangssignalwert 2048 µA. Dann wird der Regler 58 im Bereich des Sollwerts 2048 µA nicht schwingen, sondern im Bereich um den Sollwert 1024 µm. Denn im Bereich um Bit 11 findet der Regler 58 seinen Wunschwert. Im Bereich um Bit 10 gibt es manche Werte nicht, sondern nur zu große oder zu kleine. Der Regler findet seinen Wunschwert daher für den Sollwert 1024 µA nicht und schwingt um diesen Bereich. 6 shows a second diagram to illustrate the behavior of the digital-to-analog converter 59 based on the example of 3 , On the X axis 66 is the input signal of the digital-to-analog converter 59 shown. On the Y axis 68 is the output signal of the digital-to-analog converter 59 shown. The characteristic 64 is with a positive jump in this example 72 at bit 10 and with a drop 70 at bit 11 Mistake. Assume the digital-to-analog converter 59 has a negative non-monotonicity at the output signal value 2048 µA. Then the controller 58 do not oscillate in the range of the setpoint 2048 µA, but in the range around the setpoint 1024 µm. Because in the area around bit 11 finds the controller 58 its desired value. In the area around bit 10 there are some values not, only too big or too small. The controller therefore does not find its desired value for the setpoint 1024 µA and swings around this range.

7 zeigt ein drittes Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers 59 basierend auf dem Beispiel der 3. Auf der X-Achse 66 ist das Eingangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Auf der Y-Achse 68 ist das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Die Kennlinie 64 ist dabei mit zwei Absenkungen bei Bit 10 und Bit 11 versehen. Wenn die dem Bit 10 entsprechende Stromquelle 60 ihren worst case Maximalwert annimmt, wird der Digital-Analog-Wandler 59 beim Umschalten die obere Kennlinie 74 durchfahren. Wenn die dem Bit 10 entsprechende Stromquelle 60 ihren worst case Minimalwert annimmt, wird der Digital-Analog-Wandler 59 beim Umschalten die untere Kennlinie 76 durchfahren. In beiden Fällen gibt es keine positiven Sprünge in der Kennlinie 64. Der Regler 58 wird daher immer seinen Wunschwert finden. Es gibt keine fehlenden Werte. 7 shows a third diagram to illustrate the behavior of the digital-to-analog converter 59 based on the example of 3 , On the X axis 66 is the input signal of the digital-to-analog converter 59 shown. On the Y axis 68 is the output signal of the digital-to-analog converter 59 shown. The characteristic 64 is with two reductions in bit 10 and bit 11 Mistake. If the bit 10 corresponding power source 60 The digital-to-analog converter becomes its worst case maximum value 59 when switching the upper characteristic 74 passed through. If the bit 10 corresponding power source 60 The digital-to-analog converter becomes its worst case minimum value 59 when switching the lower characteristic 76 passed through. In both cases there are no positive jumps in the characteristic 64 , The regulator 58 will therefore always find its desired value. There are no missing values.

Das Verfahren hilft somit nicht nur um die Monotonie-Anforderung des Digital-Analog-Wandlers 59 zu vereinfachen, sondern vereinfacht Dank der Hysterese-Eigenschaft auch die Umschalt-Vorgänge im Design des Digital-Analog-Wandlers 59. Auch wenn ein Digital-Analog-Wandler 59 beschrieben wurde für eine PID-Regelung der Nernst-Spannung mit einem Strom als Stellgröße, eignet sich das Verfahren ebenso für einen Digital-Analog-Wandler 59 mit Stromausgang oder Spannungsausgang.The method therefore not only helps with the monotony requirement of the digital-to-analog converter 59 to simplify, but also simplifies the switching processes in the design of the digital-to-analog converter thanks to the hysteresis property 59 , Even if a digital-to-analog converter 59 has been described for PID control of the Nernst voltage using a current as a manipulated variable, the method is also suitable for a digital-to-analog converter 59 with current output or voltage output.

Claims

Method for operating a sensor (100) for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measuring gas or a temperature of the measuring gas, comprising a sensor element (10) for detecting the property of the measuring gas, the Sensor element (10) has a solid electrolyte (12), a pump cell (40) and a Nernst cell (46), the pump cell (40) having an outer pump electrode (42) and an inner pump electrode (44), using a plurality of current sources (60 ) a pump current is driven through the pump cell (40), a Nernst voltage of the Nernst cell (46) being regulated, a measurement signal of the sensor element (10) being determined based on the pump current, the regulation of the Nernst voltage by means of an analog-digital converter (56), a controller (58) and a digital-to-analog converter (59), an output of the controller (58) being a digital manipulated variable for the D delivers digital-analog converter (59), the digital-analog converter (59) having a characteristic curve (64) for output signals to the current sources (60), the characteristic curve (64) being provided with reductions (70) in the output signals which are greater than the tolerance values of the current sources (60).

Procedure according to Claim 1 , The reductions (70) of the output signals being provided at points on the characteristic curve (64) which correspond to the switching points of the current sources (60).

Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein an actual value of the pump current is calculated based on a target value for the pump current of the controller (58).

Procedure according to one of the Claims 1 to 3 , the controller (58) being a PID controller.

Procedure according to one of the Claims 1 to 4 , wherein the current sources (60) are weighted, the reductions (70) of the output signals in the direction of the weighting corresponding to sums of the tolerance values of previous current sources (60).

Procedure according to Claim 5 , wherein the current sources (60) are weighted in binary.

Procedure according to one of the Claims 1 to 6 , the current sources (60) being adjusted independently of one another.

Procedure according to one of the Claims 1 to 7 A reduction (70) of the output signal is assigned to each current source (60).

Computer program which is set up to carry out each step of the method according to one of the preceding claims.

Electronic storage medium on which a computer program according to the preceding claim is stored.

Electronic control device (52) comprising an electronic storage medium according to the preceding claim.

Sensor (100) for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measuring gas or a temperature of the measuring gas, comprising a sensor element (10) for detecting the property of the measuring gas, the sensor element (10) comprises a solid electrolyte (12), a pump cell (40) and a Nernst cell (46), the pump cell (40) having an outer pump electrode (42) and an inner pump electrode (44), the sensor (100) further comprising an electronic control device (52) according to the preceding claim.